ВПЛИВ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ НА ЕЛЕКТРОННУ СТРУКТУРУ КРИСТАЛА CuAlTe2
DOI:
https://doi.org/10.32782/pet-2024-2-8Ключові слова:
халькопірит, гідростатичний тиск, зонна структура, густина станів, теорія функціоналу густиниАнотація
У цій роботі вперше проведено теоретичне дослідження структурних та фізичних властивостей кристала CuAlTe2 під дією зовнішніх гідростатичних тисків. Для цього здійснено комплекс комп’ютерних обрахунків, що включає розрахунок кристалічної структури та властивостей досліджуваного матеріалу. Структура кристала визначалась використовуючи метод Бройдена-Флетчера-Голдфарба-Шенно, за допомогою якого отримувались оптимізовані параметри гратки та координат атомів. Дослідження електронних властивостей кристала і їх трансформації за дії гідростатичних тисків здійснювались шляхом моделювання з перших принципів. Для цього в рамках теорії функціоналу густини (DFT) проведено розрахунки зонно-енергетичної структури кристала E(k). Обмінно-кореляційна взаємодія описувалась за допомогою узагальненого градієнтного наближення. Основна увага приділена вивченню зміни кристалографічних параметрів під тиском, що дозволяє зрозуміти особливості поведінки цього матеріалу в умовах високих тисків. У роботі застосовувались гідростатичні тиски в межах 0–5 ГПа. Результати показують, що під впливом гідростатичного тиску відбувається поступове зменшення об’єму елементарної комірки, що добре узгоджується з теоретичними передбаченнями та описується рівнянням стану Мурнагана. На основі цього рівняння визначено об'ємний модуль пружності B та його першу похідну по тиску B’, що характеризують стійкість кристала до деформацій. Зясовано, що прикладання тиску зумовлює значну тетраедричну деформацію кристалічної ґратки CuAlTe2, що може впливати на його фізичні властивості, зокрема на електронну структуру. Важливо, що зростання тиску призводить до збільшення ширини забороненої зони Eg, що може бути корисним для потенційних застосувань матеріалу у напівпровідникових технологіях. Розрахунки показали, що зміна значення Eg при підвищенні тиску відповідає квадратичній залежності, що дозволяє точно описати поведінку ширини забороненої зони у діапазоні застосованих тисків. Отримані результати можуть бути корисними для подальшого застосування CuAlTe2 у високотехнологічних приладах, де необхідні матеріали з можливістю регулювання ширини забороненої зони під впливом зовнішніх умов.
Посилання
Honeyman W.N., Wilkinson K.H., Growth and properties of single crystals of group I-III-VI2 ternary semiconductors, J. Phys. D: Appl. Phys. 1971. 4. P. 1182–1185.
Koschel W.H., Sorger F., Baars J., Optical phonons in I-III-VI2 compounds, J. Phys. Colloques. 1975. 36. P. C3-177-C3-181.
Matsushita H., Endo S.E.S., Irie T.I.T., Raman-scattering properties of I-III-VI2 group chalcopyrite semiconductors, Jpn. J. Appl. Phys. 1992. 31. P. 18.
Benseddik N., Belkacemi B., Boukabrine F., Ameur K., Mazari H., Boumesjed A., Benyahya N., Benamara Z., Numerical study of AgInTe2 solar cells using SCAPS, Advances in Materials and Processing Technologies. 2020. P. 1–9.
Kowsar A., Hosen M.B., Ali M.K., Asaduzzaman M., Bahar A.N., Performance optimization of ZnS/CIGS solar cell with over 25% efficiency enabled by using a CuIn3Se5 OVC layer, International Journal of Renewable Energy Research (IJRER). 2020. 10. P. 2000–2005.
Mondal G., Santra A., Jana S., Pramanik N., Mondal A., Bera P., Enhanced photocatalytic activity of ternary CuInS2 nanocrystals synthesized from the combination of a binary Cu(I)S precursor and InCl3, Journal of Nanoparticle Research. 2018. 20. P. 108.
Regulacio M.D, Han M.-Y., Multinary I-III-VI2 and I2-II-IV-VI4 semiconductor nanostructures for photocatalytic applications, ACS Publications. 2016. 49. P. 511–519.
Huang D., Ding L., Xue Y., Guo J., Zhao Y.-J., Persson C., Interface of Sn-doped AgAlTe 2 and LiInTe 2 : A theoretical model of tandem intermediate band absorber, Appl. Phys. Lett. 2021. 118. P. 043901.
Boyd G., Kasper H., McFee J., Linear and nonlinear optical properties of AgGaS2, CuGaS2, and CuInS2, and theory of the wedge technique for the measurement of nonlinear coefficients, IEEE Journal of Quantum Electronics. 1971. 7. P. 563–573.
Rudysh M.Ya., Electronic structure, optical and elastic properties of AgAlS2 crystal under hydrostatic pressure, Materials Science in Semiconductor Processing. 2022. 148. P. 106814.
Rudysh M.Ya., Shchepanskyi P.A., Fedorchuk A.O., Brik M.G., Stadnyk V.Yo., Myronchuk G.L., Kotomin E.A., Piasecki M., Impact of anionic system modification on the desired properties for CuGa(S1−xSex)2 solid solutions, Computational Materials Science. 2021. 196. P. 110553.
Rudysh M.Ya., Piasecki M., Myronchuk G.L., Shchepanskyi P.A., Stadnyk V.Yo., Onufriv O.R., Brik M.G., AgGaTe2 – The thermoelectric and solar cell material: Structure, electronic, optical, elastic and vibrational features, Infrared Physics & Technology. 2020. 111. P. 103476.
Bovornratanaraks T., Kotmool K., Yoodee K., McMahon M.I., Ruffolo D., High pressure structural studies of AgInTe2, J. Phys.: Conf. Ser. 2010. 215. P. 012008.
Gudelli V.K., Kanchana V., Vaitheeswaran G., CuAlTe2: A promising bulk thermoelectric material, Journal of Alloys and Compounds. 2015. 648. P. 958–965.
Benchouk K., El Moctar C., Bernede J.C., Marsillac S., Pouzet J., Barreau N., Emziane M., Growth and physicochemical characterization of CuAlTe2 films obtained by reaction, induced by annealing, between Cu/Al/Te/Al/Cu... Al/Cu/Al/Te layers sequentially deposited, Journal of Materials Science. 1999. 34. P. 1847–1853.
Benchouk K., Zamallach K., Khelil A., Bernede J.C., Structural properties of ternary buffer films based upon CuAlTe2, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2010. 13. P. 012024.
Hassan N.A., Khudayer I.H., Thickness effect of CuAlTe2 thin films on morphological, structural and visual properties, Ibn AL-Haitham Journal For Pure and Applied Sciences. 2020. 33. P. 27–43.
Sharma M., Singh P., Kumari M., Verma U.P., CuAlTe2 under high temperature: An ab initio approach, AIP Conf. Proc. 2014. 1591. P. 1321–1323.
Korzun B.V., Fadzeyeva A.A., Bente K., Schmitz W., Schorr S., Thermal expansion and structural properties of (CuAlTe2)1–x(CuAlSe2)x solid solutions, Crystal Research and Technology. 2006. 41. P. 168–173.
Gupta R.C., Varshney P., Mechanical stability parameters of chalcogenides and pnictides based optoelectronic materials, Chalcogenide Letters. 2023. 20. P. 101–112.
Reshak A.H., Auluck S., Electronic properties of chalcopyrite CuAlX2(X = S, Se, Te) compounds, Solid State Communications. 2008. 145. P. 571–576.
Ravindran P., Fast L., Korzhavyi P. A., Johansson B., Wills J., Eriksson O., Density functional theory for calculation of elastic properties of orthorhombic crystals: Application to TiSi2, Journal of Applied Physics. 1998. 84. P. 4891–4904.
Clark S.J., Segall M.D., Pickard C.J., Hasnip P.J., Probert M.I.J., Refson K., Payne M.C., First principles methods using CASTEP, Zeitschrift Für Kristallographie - Crystalline Materials. 2005. 220. P. 567–570.
Perdew J.P., Zunger A., Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems, Phys. Rev. B. 1981. 23. P. 5048–5079.
Monkhorst H.J., Pack J.D., Special points for Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B. 1976. 13. P. 5188–5192.
Pfrommer B.G., Côté M., Louie S.G., Cohen M.L., Relaxation of crystals with the quasi-Newton method, Journal of Computational Physics. 1997. 131. P. 233–240.
Hahn H., Frank G., Klingler W., Meyer A.-D., Störger G., Untersuchungen über ternäre Chalkogenide. V. Über einige ternäre Chalkogenide mit Chalkopyritstruktur, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1953. 271. P. 153–170.
Rudysh M.Ya., Electronic structure, optical and elastic properties of AgAlS2 crystal under hydrostatic pressure, Materials Science in Semiconductor Processing. 2022. 148. P. 106814.
Rudysh M.Ya., Shchepanskyi P.A., Myronchuk G.L., Piasecki M., Martyniuk O.S., Vibrational, thermodynamic and acoustic properties of AgAlS2 crystal, Physica B: Condensed Matter. 2023. 654. P. 414731.
Brik M.G., Ma C.G., Tailoring the electronic and elastic properties by varying the composition of the CuGa1−xAlxS2 chalcopyrite semiconductor, J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. 46. P. 285304.
Reddy R.R., Ahammed Y.N., A study on the Moss relation, Infrared Physics & Technology. 1995. 36. P. 825–830.
Geng J., Wu J., Effects of pressure on structural, mechanical, and electronic properties of chalcopyrite compound CuAlS2, Cchalcogenide Letters. 2023. 20. P. 215–225.
